隨著工業4.0的深入推進，協作機器人(Cobots)在製造業、醫療、服務等領域的應用迅速增長。2025年，協作機器人市場規模預計將達到數十億美元，年複合增長率超過20%。這一增長趨勢不僅反映了協作機器人在提高生產效率、改善作業條件方面的顯著優勢，也突顯了其在人機協作環境中確保安全性的關鍵作用。本文聚焦於協作機器人在不同應用場景中的控制策略與安全性考量，分析其在獨立、順序、同時和支持性協作模式下的技術實現，並探討如何通過技術創新提升協作機器人的市場競爭力和應用價值。
《2025-2030年中國協作機器人行業發展趨勢分析與未來投資研究報告》協作機器人作為一種能夠與人類共同作業的自動化設備，其應用場景廣泛且多樣。在工業生產中，協作機器人可用於裝配、焊接、質量檢測等任務，通過與人類操作員的緊密協作，實現更高效率和更高質量的生產目標。在醫療領域，協作機器人可用於輔助手術、康復治療等，為醫療過程提供精準支持。在服務行業，協作機器人可用於物流搬運、清潔服務等，提升服務效率和質量。
協作機器人市場策略分析提到為了實現高效且安全的人機協作，協作機器人需要採用多種先進的控制策略。本文研究了三種主要的控制策略：基於外感受傳感器的控制策略、阻抗控制策略和力控制策略。這些控制策略通過不同的技術手段，確保協作機器人在與人類交互過程中能夠適應外部擾動、保持穩定性和安全性。
在人機協作環境中，確保安全距離和避免碰撞是協作機器人設計的關鍵目標之一。基於外感受傳感器的控制策略通過實時監測機器人與人類操作員之間的相對位置，動態調整機器人的速度和方向，從而有效避免碰撞。該策略利用虛擬現實技術和外感受傳感器，模擬不同碰撞情境下的機器人運動，並評估機器人運動的形狀和速度對人類主觀舒適度的影響。
通過任務坐標系中的剛體動力學模型，機器人在任務空間中的運動可以被精確描述。控制目標通過調整任務空間中的阻抗來實現，確保機器人在與人類接觸時能夠保持安全距離。實驗結果表明，基於外感受傳感器的控制策略能夠有效調整機器人速度和方向，確保在接近人類時保持安全距離，避免碰撞。
阻抗控制是一種主流的控制技術，主要用於處理混合力/位置控制問題，並應對在人-機器人物理交互中由未知環境引起的擾動。該策略通過調節系統的「阻抗」參數，使機器人能夠適應外部擾動，保持穩定的運動軌跡。阻抗控制將系統建模為質量-彈簧-阻尼二階閉環系統，通過調整質量、阻尼和彈簧係數，確保機器人在複雜交互中保持控制的穩定性和準確性。
實驗結果表明，阻抗控制策略能夠有效應對外部擾動，保持系統穩定，確保與人類的安全協作。通過調整阻抗參數，機器人能夠根據外部干擾實時調整其運動軌跡，確保在複雜動態環境中維持高效協作。
力控制策略是一種廣泛應用於協作機器人中的控制方法，特別適用於涉及物理接觸和交互的任務。該策略通過精確控制施加在物體上的力，確保機器人能夠與環境或人類安全地交互。力控制策略通常包括直接力控制、間接力控制和力/位置混合控制等形式。
實驗結果表明，力控制策略能夠精確控制施加在物體上的力，確保與人類或物體的安全接觸，並有效應對外部干擾。通過調整關節力矩，機器人能夠根據外部施加的力調整其位置和姿態，確保任務的精確執行。
在協作機器人的人機互動過程中，安全性是最重要的考量因素之一。無論是基於外感受傳感器的控制策略、阻抗控制策略還是力控制策略，其核心目標都是確保機器人在與人類協作時能夠適應外部擾動、保持穩定性和安全性。通過模擬仿真和力學建模方法，本文評估了不同控制策略在實際應用中的效果。結果表明，這些控制策略在提高人機協作的安全性和效率方面表現良好，驗證了其在實際應用中的有效性。
六、結論
2025年，協作機器人市場正處於快速發展階段，其在工業、醫療、服務等領域的應用前景廣闊。通過研究協作機器人在不同工況下的控制策略，本文展示了基於外感受傳感器的控制策略、阻抗控制策略和力控制策略如何確保機器人在與人類協作時的安全性和高效性。這些控制策略不僅提高了協作機器人的適應性，還在多種工業應用中展現了其在提升生產效率和確保工作安全方面的優勢。未來，隨著技術的進一步發展，協作機器人將在更多領域發揮重要作用，為人類社會的發展提供強大支持。
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